estrutura e propriedades de cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 a13 est prop...
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MateriaisEstrutura e Propriedades de Cerâmicos
M. Clara Gonç[email protected]://web.ist.utl.pt/ist12456
Tel. 3934Sala 4-1.4A (4º Piso Torre Química)
Lisboa, 2019
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Os Engenheiros fazem coisas – e estas coisas são feitas de Materiais!
Sem Materiais não há engenharia!
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Questões a abordar
Classes de materiais cerâmicoscerâmicos tradicionais/ cerâmicos avançadosrefractários
Processos de fabricopós cerâmicos (via húmica, via seca)sinterização
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Estruturaregras de Paulingcerâmicos (puramente) covalentes – ex. estruturas Ccerâmicos (carácter) iónico – ex. AX, AX2, AX3, ABX3
defeitos em cerâmicos
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http://www.construindominhacasaclean.com
http://www.decoracaoeideias.com
http://www.nexus.globalquakemodel.org
sanitários
tijolo
Azulejo
Louça mesa
CerâmicaTraditional
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Argila
Feldspato
Quartzo
Stoneware/ Grés
Faiança/Earthenware
Stoneware / Grés
5-35% Quartzo20-40% Argila, Caulino50-60% Felsdpatos
Faiança / Earthenware20-35% Quartzo20-60% Argilas Plásticas (baixo teor caulino)10-20% Felsdpatos
Porcelana10-25% Quartzo20-60% Argila, Caulino20-50% Felsdpatos
CerâmicaTraditionalCerâmicaTraditional
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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http://www.earthwaterfire.com
Membranas e filtros
http://www.industrialceramic.com/fused-silica/
Cadinhos e outro material lab
http://alfa-img.com
Fornos
http://www.rubbersealing.com
Bolas (moinho bolas)
Refractários
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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7
• Material para serviço em fornos de elevada temperatura• Considere o sistema Sílica (SiO2) - Alumina (Al2O3)• Diagrama de fases evidencia :
mulite, alumina, e cristobalite excelentes refractários
Composition (wt% alumina)
T(°C)
1400
1600
1800
2000
2200
20 40 60 80 1000
alumina
+
mullite
mullite
+ L
mulliteLiquid
(L)
mullite
+ crystobalite
crystobalite
+ L
alumina + L
3Al2O3-2SiO2
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Refractários
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http://hollandtechnicalceramics.com/
Ferramentas mecânicas
http://www.chefdepot.net/kyocera.htm
CorteCorte
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Ferramentas de corte
http://www.rubis-precis.com
Ferramentas mecânicas
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9
• Ferramentas:-- para corte de vidro, tungsténio,
carbonetos, ou cerâmicos (lâminas)-- para corte de bolachas de Si (lâminas)-- perfuração a óleo (brocas)
lâminasbroca• Aplicações
Revestimento demonocristais de diamante
Diamante policristalinonuma matriz de resina
Photos courtesy Martin Deakins,GE Superabrasives, Worthington,OH. Used with permission.
-- diamante mono- ou policristalino
-- revestimentos (e.g., Ti para reforçar ligação de diamante a matrizde Co)
-- diamante policristalinoobtido por microfractura
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Ferramentas de corte
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10
forçatracção
Ao
Addie
die
• -- resistência ao desgaste!
• Superfície molde
-- 4 mm de partículas de diamante policristalino, sinterizadas sobre um substratode carboneto de tungsténio
-- diamante policristalino diminui a fractura e confere dureza uniforme em todas as direcções
Courtesy Martin Deakins, GE
Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.
Adapted from Fig. 11.8 (d),
Callister 7e. Courtesy Martin Deakins, GE
Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Moldes
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11
Electrónica
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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12
• Vantagens
• Suporte em microelectrónica
• deve ajustar-se aos coeficiente de expansão térmico do chip microelectrónico e do suporte
• Requisitos adicionais
– Adequado coeficiente de transferência de calor
– Baixa conductividade eléctrica
• Materiais mais usados
• Nitreto boro (BN)
• Carboneto silício (SiC)
• Nitreto alumínio (AlN)
– Conductividade térmica 10x > Alumina
– Coef expansão próximo do do Si
Electrónica
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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13
Sensores
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Ca2+Uma impureza de
remove um ião de Zr 4 +
e um anião O2 -
Ca2+
Gás de referência, com teor em O2 constante
O2-
difusão
Gás com teordesconhecido emoxigénio
-+Diferença de potencial produzida!
sensor
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• Exemplo Sensor de oxigénio ZrO2
• Princípio Promover uma rápida difusão para uma resposta eficiente
• Abordagem
Adicionar impurezas Ca a ZrO2:
-- aumento dos vazios em O2-
-- aumento da velocidade de difusão em O2-
• Como funciona
-- diferença de potencial produzida pela difusão de iões O2- da
superfície externa do sensor até ao gás de referência
Sensores
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Ceramic bulletproof plate , Bulletproof protects armor , Ballistic helmet
Produtos à prova e bala
http://www.defensereview.com/prototype-mini-battle-shieldmini-combat-shield-gets-shoot-tested-pics/
Escudo à prova de bala
Cerâmicos à prova de bala
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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16
– Al2O3, B4C, SiC , TiB2
– Materiais extremamente duros
• estilhaça projécteis
• absorve a energia de impacto
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Cerâmicos à prova de bala
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17
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Aeronáutica
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18
Motores
• Vantagens:
– Elevada temperatura de serviço
– Excelente resistência ao
desgaste e corrosão
– Baixas perdas por fricção
– Possibilidade de operar sem
sistema de arrefecimento
– Baixa densidade
• Desvantagens:
– Fragil
– Difícil de maquinar
• Peças – caixa motor, revestimento de pistão, motor
Ex: Si3N4, SiC, e ZrO2
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Aeronáutica
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http://anti-aging/hexagon-water-purifier
Filtro água
http://zdravie.pravda.sk
Implante anca cerâmico
http://dentaltech.hu
Dente cerâmico
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Saúde
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Cerâmicos na história
29000 b.C. - 25000 b.C.
Věstonice, República Checa
209-210 b.C.
Guerreiros de terracota de Qin
Shi Huangin, China.
8,000 soldados, 130 carruagens
de 520 cavalos mais 150 cavalos
de cavalaria.
Dinastia Ming (1368-1644)Embaixada Francesa, Lisboa
750 b.C. Dipylon, AtenasChan Chan – Pre-Coulombiano, América do Sul,
Cidade em tijolo (não cozido)
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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29000 - 25000 aCVěstonice, República Checa
209-210 aCOs Guerreiros de QinShi Huangin, China
III-IVVidros mediterrânicos
3 000 aCTablet terracota, Mesopotâmia
Porta de Ishtar 575 aC II-I aCVidro Egípcio
40 000 aC (?)Ponta de lança
http://zdravie.pravd
a.sk
http://www.rubis-precis.com
… para o Futuro
Membranas e filtros
Ferramentas mecânicas
Implante cerâmico docólo do fémur
Prótese dentária cerâmica
Componentes ópticos eoptoelectrónicos
Fibras ópticas
Do passado...
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PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO
COMPOSIÇÕES DE CERÂMICOS
REFRACTÁRIO ESTRUTURALRESISTÊNCIA MECÂNICA
CORTE/ABRASÃOCONSTRUÇÃO CIVIL (TIJOLO, TELHA, CIMENTO)
FAIANÇA / PORCELANA
a-Al2O3, MgO, SiC, Si3N4, Al6Si2O13
a-Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4
a-Al2O3, ZrO2, SiC, TiC, Si3N4 , SIALONAl2O3-SiO2, CaO-Al2O3-SiO2
FAIANÇA, PORCELANA,CaO-SiO2-H2O
FUNCIONAIS
MECÂNICAS
ISOLANTEFERROELÉCTRICOPIEZOELÉCTRICO
SUPERCONDUTOR
a-Al2O3, MgO, porcelanaBaTiO3, SrTiO3
PbZr0.5Ti0.5O3
Ba2YCu3O7-x
FERRITES Mn0.4Zn0.6Fe2O4, BaFe12O19, SrFe12O19 MAGNÉTICAS
ELÉCTRICAS
1950…
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ISOLANTE
2019…
FERRITE Mn0.4Zn0.6Fe2O4, BaFe12O19, SrFe12O19 MAGNÉTICAS
COMBUSTÍVELREVESTIMENTO/ PROTECÇÃO
TRANSPARÊNCIACOR
MEMÓRIA
RADIADORSENSOR GÁS
SUPORTE CATALISADORELÉCTRODO
FILTROREVESTIMENTO
PRÓTESECIMENTO
UO2, UO2- PuO2
SiC, B4C
a-Al2O3, MgAl2O4
ZrSiO4, ZrO2, Al2O3 dopadosPbZr0.5Ti0.5O3
a-Al2O3, ZrO2, Al6Si2O13, SiO2
ZrO2, TiO2
ZnO, ZrO2, SnO2, Fe2O3
Mg2Al4Si5O18, Al2O3
TiO2, TiB2, SnO2, ZnOSiO2, a-Al2O3
NaO-CaO-Al2O3-SiO2
a-Al2O3, PORCELAINCaHPO4.2H2O
ÓPTICAS
NUCLEAR
BIOLÓGICAS
QUÍMICAS
TÉRMICAS
REFRACTÁRIO ESTRUTURALRESISTÊNCIA MECÂNICA
CORTE/ABRASÃOCONSTRUÇÃO CIVIL (TIJOLO, TELHA, CIMENTO)
FAIANÇA / PORCELANA
a-Al2O3, MgO, SiC, Si3N4, Al6Si2O13
a-Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4
a-Al2O3, ZrO2, SiC, TiC, Si3N4 , SIALONAl2O3-SiO2, CaO-Al2O3-SiO2
FAIANÇA, PORCELANA,CaO-SiO2-H2O
FUNCIONAIS
MECÂNICAS
ISOLANTEFERROELÉCTRICOPIEZOELÉCTRICO
SUPERCONDUTOR
a-Al2O3, MgO, porcelanaBaTiO3, SrTiO3
PbZr0.5Ti0.5O3
Ba2YCu3O7-x
FERRITES Mn0.4Zn0.6Fe2O4, BaFe12O19, SrFe12O19 MAGNÉTICAS
ELÉCTRICAS
PROPRIEDADES COMPOSIÇÃO
COMPOSIÇÕES DE CERÂMICOS
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28
Vidros Argilas Refractários Abrasivos Cimentos Cerâmicos
Avançados
-opticas-reforço de
compósitos-reservatóriosembalagem
-louçabrancatijolo
-tijolo de T elevada(fornos)
-papelpolimento
corte-
-compósitos- estrutural
motor -rotor-válvula- sensor
Classificação de cerâmicos
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Vidros serão abordados separadamente!
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29
• Propriedades
-- Tm elevado
-- baixa dureza, baixa ductilidade; elevado moduli & elevada resistência
à fluência
• Aplicação
-- elevada T, elevada resistência ao desgaste, novas aplicações com
electroneutralidade de carga.
• Fabrico
-- - síntese por via química húmida (precipitação e co-precipitação)
- síntese de pós por via colloidal
- processamento de pós
Propriedades de cerâmicos
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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30
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Estrutura de cerâmicos
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H
He
B
Si
C
As
P
N
Te
Se
S
O
At
I
Br
Cl
F
Rn
Xe
Kr
Ar
Ne
Ac
LaMetais alcalinos
Metais alcalino-terrosos
Lantanídeos
Actinídeos
Metais de transição
Metais não nobres
Semi-metais
Não metais
Li
Fr
Cs
Rb
K
Na
Be
Ra
Ba
Sr
Ca
Mg
Ac
La
Y
Sc
Hf
Zr
Ti
Hg
Cd
Zn
Ta
Nb
V
Au
Ag
Cu
W
Mo
Cr
Re
Tc
Mn
Os
Ru
Fe
Pt
Pd
Ni
Ir
Rh
Co
Ti
In
Ga
Al
Pb
Sn
Ge
Bi
Sb
Po
Não metais na TP
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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32
• Os cerâmicos são sólidos cristalinos inorgânicos, cosntituídos por óxidos
de elementos dos grupos IA, IIA,IIIA, IVA, IIIB e IVB.
• Os cerâmicos apresentam uma ligação química predominantemente iónica
ou covalente
• Os cerâmicos apresentam estruturas cristalinas 3D relativamente
compactas, hc ou cfc, com ocupação de posições intersticiais
• Os minerais naturais de aluminosilicatos apresentam estrutura em
camadas ou cadeias.
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Estrutura de cerâmicos
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33
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Que tipo de interstício será ocupado por um ião?
1. Tamanho do interstício
– O catião cabe no interstício?
2. Estequiometria
– Se um tipo de interstício está completamente ocupado, inicia-se a ocupação de outra posição intersticial!
3. Hibridação
Estrutura de cerâmicos
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34
1. Tamanho - Estabilidade da estrutura
--maximizer o # de 1º vizinhos de carga oposta
- -
- -+
instável
- -
- -+
estável
- -
- -+
estável
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Cerâmicos iónicos
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35
2. Neutralidade de cargas:
--Balanço de cargas nulo
--Fórmula geral:
CaF2 : Ca 2+
catiãoF-
F-
aniões+
A m X p
m, p determinados por electro-neutralidade
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Cerâmicos iónicos
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36https://www.youtube.com/watch?v=F4Du4zI4GJ0
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Interstícios octaédricos e tetraédricos
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Regras de Pauling
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38
• NC aumenta com
2
rcationranion
Coord#
< 0.155
0.155 - 0.225
0.225 - 0.414
0.414 - 0.732
0.732 - 1.0
3
4
6
8
linear
triangular
TD
OH
cubic
ZnS (blenda)
NaCl(cloretosódio)
CsCl(cloretocésio)
rcation
ranion
Quantos aniões pode colocar emtorno de um catião?
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Regras de Pauling
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39
• Determine o valor mínimo para rcatião/ranião na posição OH (CN = 6)
a = 2ranião
2ranion 2rcation = 2 2ranion
ranion rcation = 2ranion
rcation = ( 2 1)ranion
2ranion 2rcation = 2a
4140anion
cation .r
r=
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Determinação do tamanho do interstício
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40
Estequiometria
– Se um dado tipo de posição intersticial está completamentepreenchida, iniciar-se-á a ocupação de nova posição intersticial
Ex: cfc com 4 OH e 8 TD
If for a specific ceramic each unit cell has 6 cations and the cations prefer OH sites
4 in OH
2 in TD
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Escolha da posição interstícial
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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41
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Escolha da posição interstícial
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
3. Hibridação – elevada percentagem covalente
– Orbitais hibridadas podem ter elevado impacto quando
existe elevada caracter covalente
– Ex. SiC
• XSi = 1.8 e XC = 2.5
%.)XXionic% 511]}exp[-0.25(-{1 100 character 2
CSi ==
• ca. 89% caracter covalente
• Si e C exibem hibridação sp3
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42https://www.youtube.com/watch?v=TxHi5FtMYKk
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Cloreto Césio
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43
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Estrutura cristalina AX – NaCl, CsCl, ZnS
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
939.0181.0
170.0
Cl
Cs ==
r
r
Adapted from Fig.
12.3, Callister 7e.
Cloreto Césio
Ocupação de interstícios cúbicos
Cada Cs+ tem 8 vizinhos Cl-
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44https://www.youtube.com/watch?v=DjDQnOXQ88c
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Cloreto Césio
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45
Same concepts can be applied to ionic solids in general.
Example: NaCl (rock salt) structure
rNa = 0.102 nm
rNa/rCl = 0.564
cations prefer OH sites
Adapted from Fig.
12.2, Callister 7e.
rCl = 0.181 nm
Cloreto Sódio
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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46https://www.youtube.com/watch?v=DjDQnOXQ88c
Cloreto Sódio
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
![Page 47: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/47.jpg)
47https://www.youtube.com/watch?v=DjDQnOXQ88c
Cloreto Sódio
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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48
MgO e FeO apresentam a estrutura de NaCl
O2- rO = 0.140 nm
Mg2+ rMg = 0.072 nm
rMg/rO = 0.514
catiões em interstícios OH
Cada O tem 6 vizinhos Mg2+
Adapted from Fig.
12.2, Callister 7e.
MgO e FeO
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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49
• Com base no raio iónico, qual a estrutura prevista para FeO?
• Resposta:
5500
1400
0770
anion
cation
.
.
.
r
r
=
=
Com base no raio,--coord # = 6--estrutura = NaCl
Data from Table 12.3,
Callister 7e.
Raio iónico (nm)
0.053
0.077
0.069
0.100
0.140
0.181
0.133
Catião
Anião
Al 3+
Fe 2 +
Fe 3+
Ca 2+
O 2-
Cl -
F -
EXEMPLO: Prever a estrutura de FeO
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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50https://www.youtube.com/watch?v=DjDQnOXQ88c
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Fluorite
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51
• fluorite cálcio (CaF2)
• catiões em interstícios cúbicos
• UO2, ThO2, ZrO2, CeO2
• estrutura anti-fluorite –
catiões e aniões em posiçõesinvertidas
Adapted from Fig.
12.5, Callister 7e.
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Estruturas AX2 - Fluorite
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52https://www.youtube.com/watch?v=DjDQnOXQ88c
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Blenda
![Page 53: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/53.jpg)
53
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Blenda
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54
Cada Zn2+ está rodeado por 4 O2-
?? 529.0140.0
074.0
2
2
O
ZnHO
r
r==
• Regras de Pauling prevêm Zn2+ em
interstícios OH
• Porém, Zn2+ encontra-se em interstícios TD
– Hibridação de Zn favorece posições TD
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Estrutura Blenda - ZnO, ZnS, SiC
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55https://www.youtube.com/watch?v=DjDQnOXQ88c
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Resumo
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56
• Perovskite
Ex:BaTiO3
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
ABX3 Perovskite – BaTiO3
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57https://www.youtube.com/watch?v=vYkyUqUa6vU
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Formas de Carbono
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58
• Carbono negro – amorfo – áreasuperficial ca. 1000 m2/g
• Diamante– C tetrédrico
• duro – sem planos de escorregamento fácil
• frágil
Diamante grandes – ourivesariaDiamantes pequenos• Geralmente manufacturados- usados
em ferramentas de corte e polimento
• Filmes de diamante• Revestimento de elevada dureza –
ferramentas corte, dispositivosmédicos, etc.
Adapted from Fig.
12.15, Callister 7e.
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Formas de Carbono
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59
• Grafite
• Estrutura em camadas
– forças de van der Waals entre camadas
– fácil escorregamento entre planos, bom lubrificante
Adapted from Fig.
12.17, Callister 7e.
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Formas de Carbono
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60
• Fullerenes e nanotubos
– Folha de grafite enrolada, em bolas ou tubos
– Buckminister fullerenes• Como bola de soccer C60 - C70 + outras formas
Adapted from Figs.
12.18 & 12.19,
Callister 7e.
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Formas de Carbono
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DIMENSÃO NOME EXEMPLO
DEFEITOPONTUAL
LACUNA – EX. LACUNA (METAIS)
SCHOTTKY (CERÂMICOS)
INTERSTICIAL – EX. INTERSTICIAL (METAIS)
FRENKEL (CERÂMICOS)
ÁTOMOS MAL COLOCADOS
ASSOCIAÇÃO DE CENTROS
SOLUÇÃO SÓLIDA (SUBSTITUCIONAL OU INTERSTICIAL)
IN EQUILIBRIUM
DEFEITO LINEAR DESLOCAÇÃO – EX. CUNHA, PARAFUSO (METAIS)
DEFEITO BIDIMENSIONAL(NO PLANO)
INTERFACE (METAIS, CERÂMICOS, COMPÓSITOS)
FRONTEIRA DE GRÃO (METAIS, CERÂMICOS,
COMPÓSITOS)
DEFEITO TRIDIMENSIONAL(EM VOLUME)
INCLUSÕES (METAIS, CERÂMICOS, COMPÓSITOS)
PORO (METAIS, CERÂMICOS, VIDRO, COMPÓSITOS)
FISSURAS/FENDAS (METAIS, CERÂMICOS, VIDRO,
COMPÓSITOS)
0-D
1-D
2-D
3-D
FOR
A D
E EQ
UIL
ÍBR
IO
DEF
EITO
S C
RIS
TALI
NO
SDefeitos em Sólidos
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Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
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Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
![Page 64: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/64.jpg)
https://www.youtube.com/watch?v=q8ky2JmmWYA
Defeitos em Sólidos
![Page 65: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/65.jpg)
https://www.youtube.com/watch?v=tx3HjWz8Ja0
Defeitos em Sólidos
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PAR LACUNA-INTERSTICIALCONJUNTO DE LACUNAS (COM CARGA
CONTRÁRIA) QUE RESULTA DA REMOÇÃO
DE UM ÁTOMO POR CADA ÁTOMO
PRESENTE NA FÓRMULA QUÍMICAEx:
NaCl - Na+ Cl-
ZnFe2O4 - Zn2+, 2Fe3+, 4O2-
Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
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Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
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ENERGIA ARMAZENADA
LACUNA ~ 0 Ev
INTERSTICIALVEU 2
2
1=
- energia necessária para adaptar um defeito à sua cavidade
E – constante elástica
V – volume (resultado de expansão local) causado elo intersticial
(energia para formação de um vazio 1 eV)
0
VARIAÇÃO DE ENERGIA LIVRE GIBBS
G = H - T S
H = E + TV
G = E + P V- TS Variação da energia interna
Em transformações sólido/sólido ou sólido/líquido V das fases é relativamente pequeno,podendo considerar-se que o processo ocorre a V constante, pelo que V=0
G = E - T S
Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
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Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
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Defeitos em Sólidos
0-D Defeitos Pontuais
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71
Sabemos que os cerâmicos são frágeis. Porquê?
• Consider o mecanismo de deformação plástica
– Escorregamento de deslocações ao longo de planos de máxima
compacidade
• Em sólidos iónicos este mecanismo é (quase) impossível
• Necessária muita energia para mover um ião (tendo uma 1ª
vizinhança de iões de sinal contrário!)
Propriedades Mecânicas
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Propriedades Mecânicas
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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73
A
AC
NV
)AA(n
C
=
Número de unidades estequiométricas / célula unitária
Volume de célula unitária
Densidade de um cerâmico
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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74
• Cerâmicos exibem ligação covalente & iónica
• Estruturas cerâmicas baseiam-se em:-- electroneutralidade de cargas-- maximização do nº 1º vizinhos de carga oposta
• Estruturas cerâmicas podem prever-se com base em:-- razão raio catiónico /raio aniónico
• Defeitos-- devem manter electroneutralidade-- exibem uma concentração que varia exponencialmente com w/T.
• À temperature ambiente a resposta mecânica é elástica, com fracturafrágil, sem deformação apreciável
Densidade de um cerâmico
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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Fabrico de cerâmicos
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
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FILTRO-PRENSAGEM
MATÉRIAS PRIMAS
VAZAMENTOSUSPENSÃO
SECAGEM
ACABAMENTO
SINTERIZAÇÃO
GRANULAÇÃO ATOMIZADOR
PRENSAGEM
CLASSIFICAÇÃO
DESPERDÍCIO
ADITIVOSDOSAGEM
MOAGEM E/OU MISTURA A SECO
MOAGEM E/OUMISTURA HÚMIDA
ADITIVOS
DESPERDÍCIO
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA
I – via química húmidaII – via seca
Fluxograma de fabrico de cerâmicos
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2 – enchimentodo molde
4 – drenagem
3 – formação depósito
5 – retirar molde
1 – preparação dasuspensão/barbotine
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Vazamento de suspensão(slip casting)
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https://www.youtube.com/watch?v=W1YCRs6QtEY
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Vazamento de suspensão (slip casting)
![Page 79: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/79.jpg)
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Injecção por molde
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Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Injecção por molde
![Page 81: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/81.jpg)
https://www.youtube.com/watch?v=0hI7wVDa9Ww
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Injecção por molde
![Page 82: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/82.jpg)
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Prensagem de pós cerâmicos
![Page 83: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/83.jpg)
https://www.youtube.com/watch?v=6O3FQ7SI6Yc
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Prensagem de pós cerâmicos
![Page 84: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/84.jpg)
https://www.youtube.com/watch?v=-RGOXAGCV5c
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Prensagem de pós cerâmicos
![Page 85: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/85.jpg)
Impressão 3D (robotcasting)
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
![Page 86: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/86.jpg)
Impressão 3D (robotcasting)
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
![Page 87: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/87.jpg)
Sinterização de Pós Cerâmicos
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Sinterização: em cerâmicos tradicionais e cerâmicos técnicos
• Procedimento:-- produzir partículas cerâmicas por moagem-- colocar as partículas no molde-- prensar a T elevada, para reduzir (eliminar) a porosidade
• ex. Pós Al2O3:-- sinterização a 1700°C
durante 6 minutos.
Adapted from Fig. 13.17, Callister 7e.
(Fig. 13.17 is from W.D. Kingery, H.K.
Bowen, and D.R. Uhlmann, Introduction
to Ceramics, 2nd ed., John Wiley and
Sons, Inc., 1976, p. 483.)15m
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Sinterização de Pós Cerâmicos
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
Sinterização – partículas de pó quando em contacto dão
origem à formação de ‘pescoço
A presença de aditivos pode ajudar o crescimento do
‘pescoço’
Adapted from Fig. 13.16,
Callister 7e.
Compressão uniaxial - compacta numa única direcção
Compressão (hidrostática) isostática – P aplicada por um
fluido – pó revestido por material polimérico
Pressagem a quente- P + Q
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Vazamento fitas cerâmicas
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
• Camadas finas de pasta cerâmica em verde são vazadas sobre superfície
• Usado em circuitos integrados e condensadores
• Vazamento a partir de suspensão (líquida) cerâmica (cerâmico + água +
aditivos)
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Cementação
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
• Produção em grandes quantidades
• Cimento Portland:
-- mistura de argilas e cal (material suporte)
-- calcários (aquecimento até 1400°C)
-- constituintes primários:
silicato tri-calcium
silicato bi-calcium
• Adição de água
-- produção de uma pasta que endurece no tempo
-- endurecimento ocorre por hidratação
• Forma: ocorre alguns minutos após o início da hidratação
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91
Sumário
Estrutura e Propriedades de Cerâmicos
• Cerâmicos exibem ligação covalente & ionica
• Estruturas baseiam-se:-- electroneutralidade-- maximização # dos primeiros vizinhos de carga oposta
• Estruturas podem prever-se com base em:-- razão do raio aniónico e catiónico
• Defeitos-- devem manter electroneutralidade-- apresentar uma concentração que varie exponencialmente c/T.
• À T amb a resposta mecânica é elastica, com fractura fragil, com deformação não considerável
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92
Estrutura Cristalina de Sólidos
Problemas
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Problemas Estrutura Cristalina
Problema 1
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Problemas Estrutura Cristalina
Problema 1
![Page 95: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/95.jpg)
Problemas Estrutura Cristalina
Problema 1
![Page 96: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/96.jpg)
Problemas Estrutura Cristalina
Problema 1
![Page 97: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/97.jpg)
Problemas Estrutura Cristalina
Problema 2
![Page 98: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/98.jpg)
Problemas Estrutura Cristalina
Problema 2
![Page 99: Estrutura e Propriedades de Cerâmicosweb.ist.utl.pt/ist12456/2019 A13 EST PROP CERAMICOS.pptx.pdf · -- aumento dos vazios em O2--- aumento da velocidade de difusão em O2-• Como](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022070906/5f76a89e3c15bc3c871310a4/html5/thumbnails/99.jpg)
Problemas Estrutura Cristalina
Problema 2